A fizikai réteg

A fizikai réteg foglalkozik az átviteli közegen keresztül a jelek fizikai átvitelével. Meghatározza a különböző típusú kábeleket, csatlakozódugókat és aljzatokat. Az IEEE 802-es három olyan fizikai közeget szabványosított, amelyeket a fizikai rétegben használnak:
1. a sodrott érpárt,
2. az alap koaxiális kábelt, szélessávú koaxiális kábelt
3. az optikai kábelt.

Sodrott érpár

A legrégebbi és még ma is a legelterjedtebb adatátviteli közeg a sodrott érpár. Ez két szigetelt, tipikusan 1 mm vastag rézhuzalból áll. A két eret spirálvonalban tekerik fel; a csavart forma az egymás mellett lévő erek villamos kölcsönhatását küszöböli ki (két párhuzamos huzal antennát alkot; a sodrott érpár azonban nem).

Sodrott érpár

Sodrott érpárok használata

A sodrott érpárok erősítés nélkül használhatók több kilométer távolságra is, de nagyobb távolságok áthidalására már csak ismétlők beiktatásával alkalmasak. Amikor hosszabb távolságon keresztül több sodrott érpár fut egymással párhuzamosan, akkor az érpárokat kötegelik, és mechanikai védelemmel látják el. A kötegelt érpárok interferálnának egymással, ha nem lennének csavartak.

Sodrott érpárok jelátvitele

A sodrott érpárok alkalmasak analóg és digitális jelátvitelre is. A sávszélesség a huzalok vastagságától és az áthidalandó távolságtól is függ, de sok esetben több Mbit/sec-os sebesség is elérhető néhány km-es távolságra. Megfelelő teljesítményüknek és alacsony áruknak köszönhetően széleskörűen használtak; legelterjedtebben a távbeszélő rendszerekben alkalmazzák őket.

Koaxiális kábelek

Alapsávú koaxiális kábel
Ez az 50 OHM-os kábel, amelyet digitális átvitelre alkalmaznak. A koaxiális kábel közepe tömör rézhuzalmag, amely körül szigetelő van (harisnya). A külső vezetőt védő műanyagburkolat zárja körül.
A koaxiális kábel szerkezete nagy sávszélességet és kitűnő zajvédelmet eredményez. A lehetséges sávszélesség a kábel hosszától függ. Egy km-es távolságon 10 Mbit/sec-os átviteli sebesség valósítható meg. Nagyobb adatátviteli sebesség csak rövidebb kábeleken érhető el. (Persze hosszabb kábeleket is használhatunk, csak ekkor az átviteli sebesség csökken.) Koaxiális kábeleket elterjedten használnak LAN-okban, valamint távbeszélő rendszerekben, nagytávolságú átvitelre. Az alapsávú rendszerek egyszerűek, nem túl drágán üzembehelyezhetők, továbbá olcsó interface-ekkel rendelkeznek. Készen kapható koaxiális kábeleket használva, egyetlen digitális csatornát kínálnak, amelyen 1 km-es távolságon 10 Mbit/sec-os sebesség érhető el. A legtöbb adatátviteli célra az alapsáv tökéletesen megfelel

Koaxális kábel

Koaxiális kábelhez csatlakozás

• T-csatolóval: a kábelt kettévágjuk, a két kábelvéget pedig a T-csatolóval összekapcsoljuk, majd egy harmadik vezetékkel a számítógéphez csatlakoztatjuk. Ez a módszer a hálózat működésének néhány percre való felfüggesztését kívánja, ami nagy hálózatoknál nem megengedhető. Továbbá, minél több ilyen csatlakozó van a hálózatban, annál valószínűbb, hogy valamelyiknél a rossz összeillesztés miatt érintkezési hiba keletkezik.
• vámpír csatlakozással: egy rendkívül pontos mélységű és szélességű, a rézmagban végződő, kábelbe fúrt lyukba kell belecsavarni egy speciális
• csatlakozót, ami hasonlóan kapcsolódik a számítógéphez, mint a T-csatoló (csak nem kell elvágni a kábelt). Itt nem kell leállítani a hálózatot, de rendkívül óvatosan kell üzembe helyezni az új csatlakozást. Ha a lyukat túl mélyre fúrják, akkor a rézmagot két egymással nem érintkező darabra vághatják szét. Ha viszont nem elég mély, akkor a csatlakozó az érintkezési hibára emlékeztető jelenséget produkálhat. Ráadásul a vámpír-csatlakozóhoz használt kábelek sokkal vastagabbak és drágábbak, mint azok, amelyeket a T-csatolóhoz használnak.

Szélessávú koaxiális kábel

Szélessávú koaxiális kábel
Ez a 75 OHM-os kábel, amely a kábeltelevíziózás szabványos kábelein keresztül analóg átvitelt tesz lehetővé. Bár a technikát kábeltelevíziózásra fejlesztették ki, a megbízható és viszonylag olcsó HW-nek köszönhetően módosítás nélkül alkalmazzák hálózati célokra is.

Analóg és digitális átvitel biztonsága

Az analóg átvitel pedig sokkal kevésbé kritikus, mint a digitális, ezért a kábelek közel 100 km-es távolságig 300 Mhz-es (időnként 450 Mhz-es) jelek átvitelére alkalmasak. Digitális jelek analóg hálózaton keresztüli átviteléhez minden interface-nek tartalmaznia kell egy konvertert, amely a kimenő digitális jeleket analóg jelekké, és a bemenő analóg jeleket digitális jelekké alakítja. Ennek a konverternek a típusától - és árától - függően 1 bit/sec 1-4 Hz közötti sávszélességet foglal el. Egy 300 Mhz-es kábel tipikusan 150 Mbit/sec-os adatátvitelt tesz lehetővé.

Szélessávú rendszerek több csatornái

A szélessávú rendszereket általában több csatornára osztják. A televíziós műsorszórásban rendszerint 6 MHz-es csatornákat alkalmaznak. Az egyes csatornák egymástól függetlenül bármire használhatók. A televíziós jelek és az adatjelek ugyanazon a kábelen is továbbíthatók.

Kétféle szélessávú rendszer

Az alap- és széles sávú technika közötti egyik legfontosabb különbség az, hogy a széles sávú rendszerekben analóg erősítőkre van szükség, amelyek a jelet periodikusan erősítik. Az erősítők a jelet csak az egyik irányba tudják továbbítani, így két számítógép, amelyek között egy erősítő van, csak egyirányú forgalmat bonyolíthat le. Ezen probléma megkerülésére kétféle széles sávú rendszert fejlesztettek ki:
• Kétkábeles rendszer: két azonos kábel fut egymás mellett (ez az adó- és vevőkábel). Küldéskor a számítógép az 1. kábelre bocsátja ki az adatokat, amelyek a kábelfa gyökerénél lévő, úgynevezett főállomáshoz (headend) jutnak el. Ez az eszköz ezután a 2. kábelre viszi át megismételve a jeleket, amelyek tehát így a fán lefele haladva eljutnak minden csomóponthoz. Az összes számítógép az 1. kábelen ad, és a 2. kábelen vesz jelet.
• Egykábeles rendszer: egyetlen kábelen jelöl ki a rendszer két különböző frekvenciatartományt az adó- és a vevősáv részére. Amíg az alacsonyabb frekvenciájú rész a számítógéptől a főállomás felé irányuló kommunikáció számára, addig a nagyobb frekvenciájú tartomány az ellenkező irány számára van kijelölve. A főállomás az alsó frekvenciatartományt a felsőbe konvertálja és újraadja az így kapott jeleket.
­ alsó metszésű (subsplit) rendszerekben az adósáv 5 és 30 MHz, a vevősáv 40 és 300 MHz között helyezkedik el.
­ középmetszésű (midsplit) rendszerekben az adósáv 5 és 116 MHz, a vevősáv 168 és 300 MHz között helyezkedik el.

Szélessávú technika alkalmazása

A szélessávú technikát sokféleképpen lehet alkalmazni. Néhány számítógéppár saját használatra egy külön csatornát kaphat. Más számítógépek egy vezérlőcsatornán ideiglenes összeköttetés céljából egy külön csatornát igényelhetnek, és az összeköttetés idejére képesek erre a frekvenciatartományra hangolódni.

Szélessávú rendszerek üzembehelyezése

A szélessávú rendszerek üzembehelyezése, üzemeltetése, fenntartása szakértelmet igényel, hiszen az erősítőket folyamatosan hangolni kell. A szélessávú interface-ek sokkal drágábbak alapsávú társaiknál. Azonban a szélessávú technika több, egyenként 3 Mbit/sec-ra korlátozott csatornát kínálnak, ráadásul egyidejűleg képesek adat, hang és televíziós jelek átvitelére - ha kell, akár több tíz kilométeres távolságra is.

Optikai kábel

A legújabb optikai kutatások eredményeképpen vált lehetségessé az adatok fényimpulzusokkal való átvitele. A fényimpulzus a logikai 1-et, az impulzus hiánya a logikai 0-t jelentheti. A látható fény frekvenciája közel 108 Mhz, így egy optikai adatátviteli rendszer sávszélessége potenciálisan óriási.

Optikai kábel

Optikai átviteli rendszer komponensei

Egy optikai átviteli rendszer három komponensből áll:
• átviteli közeg: hajszálvékony, üvegből vagy szilikátból készült szál.
• fényforrás: lehet LED (Light Emitting Diode - fényemittáló dióda), vagy lézerdióda. Mindkettő villamos áram hatására bocsát ki fényimpulzusokat.
• fényérzékelő: egy fotodióda, amely fény hatására villamos jeleket állít elő.
Egy optikai szál egyik végére LED-et vagy lézerdiódát, másik végére fotodiódát téve egy egyirányú adatátviteli rendszerhez jutunk, amely villamos jeleket fogad, alakít át, majd bocsát ki fényimpulzusokként; illetve fordítva: az optikai szál másik végén, a vevő oldalon fényimpulzusokat vesz és alakít vissza villamos jelekké. Amikor a fénysugár az egyik közegből a másikba lép akkor a határfelületen (üveg/levegő) megtörik. A törés mértéke a két közeg tulajdonságaitól függ, elsősorban azok törésmutatójától. Ha a beesési szög elér egy kritikus értéket, akkor a fénysugár már nem lép ki a levegőbe, hanem visszaverődik az üvegbe. Így, az ilyen vagy ennél nagyobb szöggel a határfelületre érkező sugarak a szálon belül maradnak, és gyakorlatilag veszteség nélkül terjedhetnek tovább akár kilométereken keresztül. Ha a szál átmérőjét a fény hullámhosszára csökkentjük le, akkor a szál hullámőrzőként működik, és a fény ide-oda verődés nélkül egyenes vonalban terjed. Az ilyen optikai szálat egymódusú szálnak (single mode fiber) nevezik. Az egymódusú szálak meghajtása (drága) lézerdiódákat igényel, ugyanakkor sokkal hatékonyabbak, és alkalmasak nagyobb távolságok áthidalására is. (Manapság: 1 km-en belül 1000 Mbit/sec elérhető.)

Optikai szálak használata

Optikai szálakat használnak nagy távolságot átívelő telefonvonalak telepítésénél és LAN-okban is. A megközelítés ez utóbbinál abból ered, hogy pl. a gyűrűhálózat nem más, mint két pont közötti kapcsolatok gyűjteménye. (Két interface: passzív és aktív ismétlő használható.)

Optikai szál előnyei

Optikai szál előnyei: az optikai szálak kis teljesítményveszteség mellett nagy sávszélességgel rendelkeznek, következésképpen ismétlők nélkül is nagyon nagy távolságokat tudnak áthidalni. Zavarérzékenységük szinte minimális, nem hatnak rájuk sem a villamos, sem más külső források által keltett elektromágneses terek, nem korrodálódnak, stb. Ebből következően nehéz, a koaxiális kábelek számára már alkalmatlan körülmények között is használhatók.

Optikai szál hátrányai

Optikai szál hátrányai: a negatív oldalhoz tartozik ellenben a száloptikai technológiához kapcsolódó szakértelemhiány. A szálakat nehéz összekötni vagy megcsapolni ez utóbbi a védelem szempontjából fontos, ehhez járul még az is, hogy az optikai szálak nem bocsátanak ki elektromágneses hullámokat. A száloptikás hálózatok egyirányúak, interface-eik sokkal drágábbak, mint villamos társaik.

Fizikai szabvány

A fizikai szabvány meghatározza a kábel és az átvitel típusára, a kódolás módjára és az adat sebességére vonatkozó előírásokat. A fizikai réteg felelős a két eszköz közötti fizikai összeköttetés létesítéséért valamint megszüntetéséért, illetve az átviteli közegen keresztül bitek átviteléért. Meghatározza ezenkívül, az átvitelre alkalmas adatkódolást és dekódolást, vezérli az eszközök időzítését, hogy azokat az adott és vett jelek szinkronizálják.

A fizikai réteg foglalkozik az átviteli közegen keresztül a jelek fizikai átvitelével.

A legrégebbi és még ma is a legelterjedtebb adatátviteli közeg a sodrott érpár. Ez két szigetelt, tipikusan 1 mm vastag rézhuzalból áll. A két eret spirálvonalban tekerik fel; a csavart forma az egymás mellett lévő erek villamos kölcsönhatását küszöböli ki (két párhuzamos huzal antennát alkot; a sodrott érpár azonban nem).

Ez az 50 ohm-os kábel, amelyet digitális átvitelre alkalmaznak. A koaxiális kábel közepe tömör rézhuzalmag, amely körül szigetelő van (harisnya). A külső vezetőt védő műanyagburkolat zárja körül.

Ez a 75 ohm-os kábel, amely a kábeltelevíziózás szabványos kábelein keresztül analóg átvitelt tesz lehetővé. Bár a technikát kábeltelevíziózásra fejlesztették ki, a megbízható és viszonylag olcsó hardvernek köszönhetően módosítás nélkül alkalmazzák hálózati célokra is.